基于靈敏度控制的某商用車前副車架輕量化設計

徐守富 孫濤 鄭非 劉斌 鄭松林

摘要：根據某款處于前期開發階段的商用車前副車架的開發要求，結合有限元法對前副車架在4種典型惡劣工況進行了剛強度分析與模態分析。采用靈敏度分析方法分析了多個設計變量的輕量化潛力，最終選擇可用于輕量化的板厚度變量作為尺寸優化設計變量，并對前副車架輕量化方案中的剛強度、模態特性進行了校驗分析。根據疲勞壽命估計理論，采用Ncode軟件對該商用車前副車架疲勞壽命進行了估計，保證了輕量化設計方案的可行性及可靠性，為今后商用車前副車架等部件在設計開發初期的輕量化設計提供了一種實例參照。

關鍵詞：前副車架;有限元法;靈敏度;輕量化設計;疲勞壽命

中圖分類號：u463.1文獻標志碼：A

隨著汽車技術的進步，人們對汽車乘坐舒適性的要求也越來越高。汽車副車架作為當今主流汽車的底盤重要承載件，與車身、懸架系統及發動機懸置相連，它在提升汽車乘坐舒適性、底盤剛、強度和操控性的同時，也提高了裝配便利性及設計通用性。副車架對消減路面和動力總成等激勵源產生的振動和噪聲起到了關鍵作用。同時，前副車架提高了前懸架的連接剛度，進而提升了整車舒適性。然而，前副車架結構設計的不合理會導致共振和斷裂現象的產生，從而嚴重影響整車性能。因此，對前副車架動、靜態特性的分析與優化是確保整車舒適性重要因素之一。

1前副車架剛強度特性及模態分析

1.1有限元模型的建立

根據設計初期的開發要求，該前副車架需安裝動力總成前懸置支架、轉向機支架、下擺臂連接支架以及穩定桿安裝襯套。初步設計的前副車架由前后橫梁、左右縱梁以及連接支架組成。梁為鈑金沖壓件，槽形結構。采用前處理Hypermesh軟件并選擇殼單元劃分網格。在Hypermesh軟件中賦予材料屬性和板厚。選用的材料為SAPH440，其材料特性參數為：屈服強度σs為440MPa;抗拉強度σb為570MPa;彈性模量為210GPa;泊松比為0.3。

1.2虛擬工況的建立

車輛在行駛過程中受到來自內部和外部各種載荷的作用，從而形成各種復雜的工況。優化設計的主要約束條件之一是在某種工況下所能承受的最大強度。實際載荷工況有多種，根據對載荷測試的經驗和強度分析的長期實踐，可以將載荷工況分為三大類，即靜態工況、耐久工況和惡劣工況。由于輕量化設計時采用最普遍也最惡劣的工況，因此分別選取在轉向、最大制動、最大倒車制動和左右前輪垂向沖擊4種比較典型的工況下，分析前副車架經受縱向載荷、側向載荷和垂向載荷作用時的應力、應變、位移變形。

前副車架有限元模型和設計硬點如圖1所示，圖中1～14各點為硬點。在建立前副車架結構強度分析模型時，施加的約束邊界條件與約束模態分析中的約束條件一致，即對1、5、9、13各點作6自由度的全約束處理;對于加載的外載荷條件，則根據前懸架運動中受力方向不同，前副車架載荷加載點分別為2、3、4、6、7、8、10、11、12、14。

1.3剛強度特性分析

在進行強度分析時，主要觀察前副車架在4種工況下的應力分布、最大應力及其位置等。經過運算，得到4種工況下的應力云圖，如圖2所示，其中σ-max為最大應力。

由圖2中可知：最大應力出現在轉向工況下，值為350MPa;前副車架在不同工況下的最大應力均小于材料的屈服極限，前副車架結構具有較大的輕量化潛力。同時，不同工況下最大應力點主要集中在左右擺臂和縱梁連接處，該處為前副車架強度的薄弱環節，在輕量化設計時要著重考慮。

1.4前副車架模態分析

前副車架的模態頻率應與道路激勵頻率、發動機激勵頻率避開，否則將引起共振，嚴重影響車輛舒適性。為了避免產生共振，采用自由模態分析法對前副車架進行分析。前副車架的前5階模態頻率如表1所示。根據分析，該前副車架的1階頻率為102.4Hz，遠高于一般城市路面的激勵頻率50Hz。

該車為四缸發動機，其在怠速工況下轉速為600r·min^-1。城市道路上行駛車速為50～80km·h^-1，因此由式（1）可得，發動機在怠速工況下引起的激勵頻率為20Hz，在行駛工況下引起的激勵頻率為40～90Hz。因此，前副車架1階頻率高于發動機正常工作時的頻率，從而可有效避免共振。

2基于靈敏度的前副車架尺寸優化

根據優化作用的不同，尺寸優化通常分為改進結構、修改拓撲關系、靈敏度分析。前兩種方法由于需要對前副車架結構做重大修改，因此常運用于設計初期，否則會因修改結構參數而大幅增加成本。而基于靈敏度的板厚度優化，可以高效找出需要優化的板厚并進行優化，成本增加少，特別適合在設計后期和產品成型階段。

2.1靈敏度分析基本原理

2.2前副車架靈敏度分析

綜合考慮前副車架的結構形式，選取前副車架各零件結構的厚度（共8個變量）作為優化設計變量（如表2所示），分析得到不同零件對前副車架強度和1階模態頻率的響應靈敏度，結果如圖3所示。

在圖3中：負的靈敏度表示隨著材料厚度的減小，前副車架模態頻率和強度均增加，數值的絕對值越大表示增加的程度越大;正的靈敏度則恰恰相反。由于前副車架模態頻率要求避開路面激勵頻率和發動機正常工作頻率，所以優化前、后的模態頻率不應有較大的降幅;而前副車架強度要求不應超過材料屈服極限的上限。根據模態頻率要求應選取圖3中靈敏度為負值或較小的正值，根據強度要求應選取圖3中靈敏度為正值或較小的負值，因此，結合模態頻率和強度共同影響應選取零件1、2、4、8。

2.3前副車架輕量化設計

2.3.2輕量化設計結果

根據優化設計模型，在4種工況下分別進行求解，經過10次迭代，目標函數收斂。由于材料的厚度具有一定的規格，所以應將優化值圓整。優化結果如表3所示。